諾貝爾獎特寫：知錯能改的DNA

今年諾貝爾化學獎頒發了給3位研究DNA修復機制的科學家，這是生物化學中一個非常重要的發現。

生物化學，一直是令醫科生又愛又恨的東西(雖然大部分人都是恨遠遠多於愛)。理性上，我們都知道生物化學，特別是遺傳學，是醫學的未來。掌握遺傳學，可以說是差不多等如掌握了人類的生與死。但感情上，生物化學本身已經複雜(主要是因為科學家很喜歡為每種酵素蛋白都起個名字，單是記名字已記死人了)，發展得又快，無時無刻都有新發展新研究要學習，但我們醫學院偏偏教得雜亂無章，「東一忽，西一忽」，與某些醫學課題相關的生物化學知識就約略教一下，但又從沒有讓醫學生學好基礎的知識，變成「未學行，先學走」，根本不可能做到融會貫通，難免令人敬而遠之。

 其實，生物化學可以是很熱血的。不久前，史丹福看了著名科學家，諾貝爾醫學獎得獎者，DNA結構的發現人James Watson的著作《DNA：生命的秘密》。那是一本DNA科學發展的簡史，看到上世紀50年代開始一班生物化學專家如何死心不息地鑽研生命的秘密，令分子生物學以科學史上最高速地發展起來，根本就是一件非常熱血沸騰的事。小弟覺得唯一一個可以與它相提並論的時代就是20、30年代量子力學的發展，那又是另一個充滿天才的年代，在科學界來說，那時代的科學家(Schrodinger、Hisenberg、Dirac…)都是巨星級的。小弟有空真要介紹一下那兩個振奮人心的年代。

不過在小弟未介紹那個年代的巨星科學家之前，還是先容小弟以在醫學院學的非常僅有的生物化學知識，介紹一下今屆諾貝爾化學獎的研究。

好，先來重溫一些高中學過的入門級知識。DNA由基本單位nucleotides組成，nucleotides分成3部分，分別是nitrogenous base、deoxyribose (一種糖)及phosphate。大家都一定見過DNA那舉世知名，深入民心的雙螺旋結構吧? 就像一條扭曲了的拉鏈。拉鏈有兩條平行的窄布料，中間有凸凹的齒把它們扣著，而deoxyribose及phosphate就是那兩條平行的布料，nitrogenous base就是那些凸凹的齒。

Nitrogenous base是隱藏了生命密碼的地方，我們電腦用的密碼很複雜，可以用A-Z、0-9、大細階，符號，有時候改密碼甚至規定你一定要有數字字母大細階，麻煩到極，但生命的密碼反倒很簡單，只由4個成分的組合所組成，就是adenine (A)、thymine (T)、guanine (G)、cytosine (C)，簡單得科學家有很長的時間都不願相信生命的密碼就放在DNA中。他們覺得蛋白質由20種胺基酸組成，用它當遺傳密碼合理得多啊。當然，最後證實他們錯了，有位科學家Frederick Griffith在研究肺炎鏈球菌的品種變換時證明了DNA才是隱藏生命密碼的地方。

拉鏈由凸凹齒互相扣著連起來，而DNA則又nitrogenous base的氫鏈互相連著，A連著T、G連著C。

DNA一個厲害的地方，就時它可以複製自己。我們身體成千上萬的細胞，上至腦細胞，下至腳指公的細胞，都有著同一套的DNA，因為它們都是複製自同一套DNA，也就是受精卵的DNA。

那DNA的複製過程是怎樣的呢? 真實世界當然是非常非常複雜，但盡可能簡化來說就是：
一，把拉鏈拉開，一對拉開成兩條
二，為兩條拉鏈找出對應的新拉鏈，重新拉上

於是就有了兩對拉鏈，各由一條舊的和一條新的拉鏈組成。

再用回生物化學的語言：
一，把拉鏈拉開及拉直(別忘了DNA不單是拉鏈，更是扭曲了的拉鏈)的兩種酵素叫helicase及DNA topoisomerase，而另一種蛋白質single-strand binding proteins就負責維持拉鏈拉開，防止它們私自重新結合。
二，之後新的nucleotides連上剛拆開的DNA，一種叫DNA polymerase的酵素重新把拉鏈拉上。

這看似很簡單很美，但問題是，拉鏈是會壞是會扣錯的。拉鏈扣錯最多關不到背包，但DNA扣錯就會干擾了生命的密碼，可以發生很可怕的事，例如是癌症。但據科學家觀察，DNA似乎很可靠，很少扣錯，少得不太合理。他們再進一步研究，發現原來DNA不是不會壞不會扣錯，紫外光、吸煙等，通通都很易令這條拉鏈拉錯，只不過它們「知錯能改」，扣錯就再扣過，「唔啱扣到啱」。而今年諾貝爾化學獎得獎的科學家就是研究DNA如何「知錯能改」，如何「唔啱扣到啱」。

大家都知道曬太陽容易引致皮膚癌，但為甚麼呢? 因為陽光中的紫外光可以破壞DNA，其中一個常見的破壞就是令兩個相鄰的thymine以碳碳雙鏈 (C=C)連起，就像拉鏈的凸凹齒不再跟對面的凸凹齒連起，而是跟在同一條布料上的相鄰凸凹齒相連，如下圖般。這條壞了的DNA，當然不能正常複製。這個相連方法形成的thymine-thymine dimer，就是形成皮膚黑色素瘤，最凶狠的一種皮膚癌的原兇。

但我們每天都會被太陽照到，為何這麼少人有皮膚癌? 當然就是因為DNA「知錯能改」。這裡介紹的第一個機制叫nucleotide excision repair (NER)。當拉鏈的凸凹齒亂連上，拉鏈的形狀也當然有了改變。當修復系統的酵素偵測到這結構上的改變，就會把出錯處理同附近的一小段DNA剪出，然後靠著對面的那條DNA重新複製出被剪了的那一段。

醫學上，如果有病人的這個機制出了問題，就大件事了。他們就會得到一種可怕的怪病──xeroderma pigmentosum (中文名字叫著色性乾皮症)，全身不停生出黑色素瘤，體無完膚。

相較起xeroderma pigmentosum，另一個醫學上更重要的遺傳性致癌疾病叫HNPCC (hereditary nonpolyposis colorectal cancer) (中文名字很繞口，叫遺傳性非瘜肉結直腸癌綜合症，相信沒有人記得到這又長又煩又累贅的名字，所以還是叫它HNPCC吧)，重要在每年有三千多宗新結腸癌新個案，當中有4%，即大約120人與這疾病相關。得到HNPCC的人，高達80%的會在70歲前患上結直腸癌，而且患上其他一大推癌症(子宮、卵巢、胃部、膽管、小腸、尿道、腦、皮膚…)的機會，也比一般人高。

HNPCC的患者當然也是因為DNA修復機制的錯誤，不過這次不是因為nucleotide excision repair出錯，而是另一機制出錯，那機制叫DNA mismatch repair。

剛才說過，DNA在複製時，A總連著T、G總連著C，但有時候不知怎的，複製時侯會連上一個錯的nucleotide，或是連多了或少了。這時DNA mismatch repair機制就會把出錯處理同附近的一小段DNA剪出，然後靠著對面的那條DNA重新複製出被剪了的那一段。

我們DNA的序列有時會連續重覆數十次，例如CACACACACACACACACACACA，我們稱這連續重覆的序列為DNA microsatellite。你可以想像，如果我要你抄一推亂碼，如ATTGCCTTGTCGA，你應該不易抄錯，因為你可以隨時對一下前後的序列而確保自己抄得正確。但如果要你抄寫CACACACACACACACACACACA…，抄錯機會應該很高吧，因為它們太相似，很快你就不知道自己抄到第幾個CA，很容易抄多抄少。所以我們就特別需要DNA mismatch repair機制為我們改正DNA microsatellite的出錯。

DNA mismatch repair機制主要靠MLH-1、MSH-2、MSH-6等蛋白質，所以如果它們有缺憾，DNA複製microsatellite時就很易出錯，複製多了或少了，這情況叫microsatellite instability。生命的密碼一出錯，又會有癌症了。NHPCC就是這樣得來的。

HNPCC是香港大學病理部門的重點研究，有位教授更是當中的高手，所以出身香港大學的醫科同學都對它或多或少有點認識。而且香港大學病理部門也提供了很詳盡的服務為病人檢測HNPCC。

那HNPCC是如何檢測的呢? 首先我們會把手術切割出來的癌組織拿去做分子檢查，看看它的microsatellite序列有沒有多了或是少了。舉個例子，正常應該是CACACACACACACACA，共8次重覆，而癌組織中卻出現CACACACACACACA，共7次，這樣癌組織出現了microsatellite instability的情況，所以很大機會病人是得了HNPCC。之後我們拿病人一點血，真接測試MLH-1、MSH-2、MSH-6等基因有沒有出錯就可以確診了。因為HNPCC是遺傳病，所以我們一般都會為家屬都進行檢查，如果他們有MLH-1、MSH-2、MSH-6等基因出錯卻還未有癌症，我們就可以為他們進行更頻密的結腸鏡或婦科檢查，即使他們得了癌症，都可以及早發現，在早期時治療。

最後一種要介紹的修復機制叫base excision repair。還記得在DNA中，A永遠連著T、G永遠連著C嗎? 但有一些化學致癌物，可以把C化學改變成U，這可不妙了，DNA中原本就不可能有U！這又是修復機制出場的時候了，nucleotides分成3部分，分別是nitrogenous base、deoxyribose 及phosphate，C變成了U，其實只是base出錯，所以其實可以不理其他部分啊，只要切走那個base就可以了。修復過程大致如下，一種叫DNA glycosylase的酵素先切走那個錯的base，現在拉鏈的凸凹齒移走了。布料有個地方有個地方多了個空位，另一種叫AP endonuclease的酵素把那段布料都切走，然後又靠著對面的那條DNA，用DNA polymerase重新複製出被剪了的那一段。

最後，用一幅出自Marks，著名的醫科生物化學教科書的圖片總結一下。